«От мусора до одеколона – запахи, с которыми мы сталкиваемся каждый день, состоят из сотен или даже тысяч индивидуальных запахов», – сказал Стюарт Файрстайн, доктор философии, профессор биологических наук Колумбийского университета и соавтор сегодняшнего исследования. "Ваша утренняя чашка кофе может содержать более 800 различных типов молекул запаха. Несмотря на то, что была проделана большая работа, чтобы понять, как нос и мозг работают вместе, чтобы идентифицировать отдельные запахи, ученые долгое время пытались объяснить, как эта система работает, когда несколько запахов смешиваются."
Используя передовой метод трехмерной визуализации, называемый микроскопией SCAPE, команда из Колумбийского университета наблюдала за тем, как тысячи различных клеток в носу мыши реагируют на различные запахи и смеси этих запахов.
Они обнаружили, что информация, которую нос посылает в мозг о смеси запахов, – это больше, чем просто сумма ее частей.
Каждая из клеток в носу, которые обнаруживают запахи, имеет один из множества различных сенсоров или рецепторов; у людей, например, есть до 400 различных типов этих рецепторов. Для чистого, единственного запаха активными станут только клетки, рецепторы которых чувствительны к этому запаху, посылая в мозг код, который он может идентифицировать как этот запах. Но для более сложных смесей запахов этот код будет все сложнее интерпретировать.
Исследователи ожидали увидеть, что клетки, активируемые смесью запахов, будут эквивалентны суммированию ответов на отдельные запахи. Фактически, они обнаружили, что в некоторых случаях запах может фактически отключить реакцию клетки на другой запах в смеси; в других случаях первый запах может усилить реакцию клетки на второй запах.
Хотя мы часто воспринимаем один запах как доминирующий над другим, ранее предполагалось, что эта обработка происходит в головном мозге. Эти результаты показывают, что сигналы, отправляемые в мозг, формируются за счет этих взаимодействий внутри носа.
Данные команды бросили вызов традиционному представлению о том, что мозг распознает смесь запахов, вычисляя все отдельные компоненты. Он подтвердил то, что парфюмеры давно знали: сочетание разных ароматов само по себе может создать определенный опыт, по сути, становясь совершенно новым ароматом, который может дать совершенно другой опыт.
«Мы были взволнованы, обнаружив, что эти изменения в коде произошли в носу, еще до того, как сигналы попали в мозг», – сказал Лу Сюй, докторант лаборатории Firestein и соавтор сегодняшнего исследования. «Мы думаем, что эти эффекты могут помочь нам обнаружить и идентифицировать гораздо больший диапазон запахов и смесей, чем может передать простой аддитивный код."
Чтобы раскрыть эти внутренние механизмы обонятельной системы, исследователи использовали возможности микроскопии SCAPE, методики, разработанной Элизабет Хиллман, доктором философии, главным исследователем Института Цукермана и соавтором сегодняшней научной статьи.
Микроскопия SCAPE создает высокоскоростные трехмерные изображения живых тканей в реальном времени. Он перемещает наклонный световой пучок вперед и назад для создания высокоскоростных 3D-фильмов живых клеток и тканей в действии.
Лаборатории Firestein и Hillman настроили SCAPE для освещения и просмотра тканей в носу мышей. Исследователи изучили нейронные клетки в носу животных, которые были помечены флуоресценцией, которая вспыхивала под микроскопом, когда эти клетки были активированы.
Затем они подвергли носовые ткани животных воздействию ряда различных комбинаций запахов: одна с древесным букетом, а другая – с миндальным, цветочным и цитрусовым запахами.
«SCAPE позволил нам одновременно анализировать активность в любой из десятков тысяч отдельных клеток в течение длительного периода времени», – сказал Венце Ли, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Хиллмана и соавтор статьи. "Используя обычные микроскопы, мы могли получить изображение только нескольких сотен клеток в тонком слое в течение короткого времени. SCAPE позволил визуализировать намного больше клеток в интактных трехмерных носовых структурах без повреждения ткани.
Это позволило нам отслеживать реакцию каждой клетки с течением времени на длинную серию различных комбинаций запахов."
Для обработки огромного количества собранных данных – более 300 гигабайт на образец ткани – команде пришлось создать собственный мощный сервер обработки данных и работать с алгоритмами, разработанными Департаментом статистики Колумбии и Фондом Саймонса.
На протяжении почти двадцати лет эксперты по запахам знали, что одни запахи могут маскировать или даже усиливать другие. С помощью сегодняшнего исследования исследователи раскрыли потенциальный механизм этого явления.
«Наши результаты показали, что ароматические молекулы могут как активировать, так и дезактивировать рецепторы, маскируя другие запахи, не подавляя их, а изменяя способ реакции клеток на них», – сказал доктор. Хиллман, профессор биомедицинской инженерии в Колумбийской школе инженерии и прикладных наук. "Эти результаты могут быть очень полезны, например, для создания лучших освежителей воздуха, которые фактически блокируют любые нежелательные запахи."
«Эти результаты также впечатляют, потому что мы не ожидали, что этот вид рецепторов может быть усилен или подавлен подобным образом», – добавил д-р.
Firestein. «Возможность изменить способ реакции рецептора на одно вещество очень важна для разработки лекарств. Наши исследования носа фактически пролили новый свет на возможные способы модуляции реакции других типов клеток, которые могут быть вовлечены в заболевание."
«Это исследование было настоящим союзом опыта двух разных лабораторий с использованием новейших технологий микроскопии и анализа больших данных», – добавил д-р. Хиллман, который также является профессором радиологии в Колумбийском колледже врачей и хирургов Вагелос.
Доктор. Хиллман отмечает, что финансирование и поддержка со стороны инициативы NIH BRAIN сделали возможной параллельную научно-техническую работу. "Мы обнаружили то, что раньше было почти невозможно увидеть, потому что у нас появился новый способ увидеть это."